DE69522691T2

DE69522691T2 - Brenner mit niedriger nox-produktion

Info

Publication number: DE69522691T2
Application number: DE69522691T
Authority: DE
Inventors: Mamoru Matsuo; Kazuhisa Mitani; Tomohiko Nishiyama; Ryoichi Tanaka
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-07-18
Filing date: 1995-07-17
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2015-07-18
Also published as: EP0772001B1; US5846067A; TW276295B; EP0772001A1; EP0772001A4; CA2195074A1; CN1152953A; KR100230940B1; JPH08145315A; KR970704993A; JP3282944B2; CN1109845C; DE69522691D1; WO1996002793A1; CA2195074C

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit niedriger NOx- Produktion. Im Hinblick auf die Verbrennung unter Verwendung von Luft, die unter Nutzung von Abgas durch direkten Wärmeaustausch zwischen Abgas und Verbrennungsluft bei Verwendung eines Regenerators vorgeheizt ist, betrifft die vorliegende Erfindung in mehr besonderer Weise einen Brenner mit niedriger NOx-Produktion, der zur Verminderung von NOx in einem mittleren Temperaturbereich, die herkömmlich schwierig zu verwirklichen ist, als auch in einem Hochtemperaturbereich, wirkungsvoll ist.

Hintergrund der Erfindung

Um NOx in einem Brenner zu vermindern, ist herkömmlich ein solches zweistufiges Brennstoff-Verbrennungsverfahren übernommen worden, wie in Fig. 8 gezeigt, das z. B. in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-50508 (US-Patent Nr. 5 403 181) beschrieben ist. Gemäß diesem zweistufigen Brennstoff- Verbrennungsverfahren wird Brennstoff von einer Primärdüse 102 und einer Sekundärdüse 103 zur Verbrennungsluft A, die in einer Brennerkehle 101 strömt, in zwei Stufen zugeführt, und eine Primärflamme wird unter Verwendung des Primärbrennstoffs und der vollen Menge der Verbrennungsluft erzeugt, während eine Sekundärflamme durch eine Reaktion des Gemischs des Sekundärbrennstoffs und des Hochtemperatur-Verbrennungsgases der Primärflamme erzeugt wird. Da die Sauerstoffdichte in der Nähe der Sekundärbrennstoffdüse niedrig ist, kann NOx der Primärflamme durch eine Reduktionsreaktion vermindert werden.
Da jedoch in dem Brenner, der dieses zweistufige Brennstoff- Verbrennungsverfahren nutzt, eine Einspritzrichtung des Sekundärbrennstoffs, der die Hauptflamme erzeugt, im wesentlichen parallel zu einer Strömung der Verbrennungsluft ist, wird die Stabilität der Sekundärflamme vermindert, wenn die Temperatur niedrig ist, und die Flamme kann daher nicht stabilisiert werden, es sei denn, die Verbrennungsluft wird auf über etwa 1000ºC vorgeheizt. Wenn eine Einspritzrichtung des Brennstoffs verändert wird, daß sie näher einer Richtung senkrecht zu einem Verbrennungsluftstrom ist, um die Sekundärflamme bei einer niedrigen Temperatur zu stabilisieren, wird die Flamme stabilisiert, doch es tritt örtliche Verbrennung ein, um örtlich die Temperatur zu erhöhen, wodurch NOx zunimmt. Auf diese Weise sind die Stabilisierung der Flamme und die Verminderung von NOx schwierig gleichzeitig zu realisieren.
Wie in dem Fall, wenn der Brenner als eine Wärmequelle für einen Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium verwendet wird, ist daher die Stabilisierung der Flamme verschlechtert, wenn in einem mittleren Temperaturbereich betrieben, in welchem die relativ niedrige Temperatur von annähernd 700 bis 800ºC erzielt wird, oder wenn der Ofen bei einer niedrigen Temperatur angefahren wird, und das zweistufige Brennstoff-Verbrennungsverfahren ist daher schwierig auszuführen. Da ferner eine Einspritzrichtung des Brennstoffs, der die Hauptflamme erzeugt, im wesentlichen parallel zu einem Verbrennungsluftstrom ist, kann eine sehr lange Flamme erhalten werden, und es ist schwierig, das Verfahren zu verwenden, wenn die Verbrennung in einem engen Raum ausgeführt wird, wie z. B. um einen Schmelztiegel des Warmhalteofens für geschmolzenes Aluminium oder unter dem Schmelztiegel.
Die EP-A-0 267 330 beschreibt einen impulsgefeuerten Brenner mit einem Luftkehlabschnitt, der zu einer Brennkammer mit größerem Durchmesser führt, in welchem eine Zünddüse angeordnet ist, um während einer Brennphase des Brenners Brennstoff zuzuführen.
Die JP-S7-165932 beschreibt einen Brennerstein, der einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser abströmseitig einer Verbrennungsmischkammer mit der Anordnung einer Zündbrennstoffdüse in einem konischen Auslaßende des Brennersteins aufweist.

Beschreibung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner mit niedriger NOx-Produktion zu schaffen, der die Stabilität der Flamme erhöht und zur Verminderung von NOx in einem mittleren Temperaturbereich wirkungsvoll ist, was herkömmlich schwierig zu realisieren war, als auch in einem Hochtemperaturbereich der Verbrennung unter Verwendung von vorgeheizter Luft, die durch direkten Wärmeaustausch mit Verbrennungsabgas unter Nutzung eines Regenerators erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird ein Brenner mit niedriger NOx-Produktion gemäß Anspruch 1 aufgezeigt.
In diesem Brenner mit niedriger NOx-Produktion erzeugt ein Strom der Verbrennungsluft, die von der Luftkehle eingeleitet wird, einen Unterdruck innerhalb des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins um diesen Verbrennungsluftstrom, d. h. eine Nebenverbrennungskammer, die durch den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins ausgebildet wird, und es tritt dadurch ein starker Ofenabgasumlauf ein. Ferner bilden ein Teil des Brennstoffs, der in dem Brennerstein zerstreut wird, und ein Teil der vorgeheizten Verbrennungsluft einen Flammenhaltebereich aus, um die Flamme zu stabilisieren, während das Ofenabgas, das kräftig in den Brennerstein eingeleitet ist, durch den Verbrennungsluftstrom mit einem Teil des Brennstoffs vermischt wird, um das Eintreten einer Umlaufverbrennung des Ofenabgases zu verursachen. Außerhalb des Brennersteins verursachen Restsauerstoff und das Gas aus der unvollständigen Verbrennung infolge der Umlaufverbrennung des Ofenabgases auch das Eintreten einer langsamen Verbrennung, wodurch die Verminderung von NOx und die stabilisiere Verbrennung realisiert werden. Außerdem kann die kurze Flamme erzielt werden.
Selbst wenn demgemäß einer Einspritzrichtung des Brennstoffs näher zu einer Richtung bewegt wird, die senkrecht zu einem Strom der Verbrennungsluft ist, um die Stabilisierung der Flamme bei einer niedrigen Temperatur zu verbessern, verursacht ein Teil des Brennstoffs die Abgasumlaufverbrennung, um die Produktion von NOx bei einer hohen Temperatur zu verhindern. Wenn weiterhin die Hochtemperatur-Verbrennungsluft verwendet wird, kann die Stabilisierung der Flamme verbessert werden, und die Verbrennung ist in einem begrenzten, schmalen Raum ausführbar, weil die kurze Flamme erzeugt werden kann, während die NOx-Produktion verhindert wird. Die Verbrennung bei einer niedrigen Temperatur kann ebenfalls stabilisiert werden. Dies ist für die Verminderung von Nox in dem Temperaturanstiegsprozeß in einem Ofen für Eisen oder dergleichen wirkungsvoll, der bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur betrieben wird, z. B. annähernd 1000ºC oder mehr, und wirkungsvoller bei der Verminderung von NOx und der Stabilisierung der Flamme in einem Ofen zum Schmelzen von Metall ist, anders als Eisen, der bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur und in einem mittleren Temperaturbereich betrieben wird, in welchem der Betrieb schwierig war. Selbst wenn die Verbrennung in einem schmalen Raum ausgeführt wird, wie z. B. ein Raum um oder unter einem Schmelztiegel des Warmhalteofens für geschmolzenes Aluminium, kann die Produktion von NOx unterdrückt werden.
In dem erfindungsgemäßen Brenner mit niedriger NOx-Produktion wird ferner der Brennstoff in bezug auf einen Verbrennungsluftstrom schräg eingespritzt, so daß der Brennstoff auf die Verbrennungsluft auftrifft. In diesem Fall werden die Ofenabgasumlaufverbrennung und die langsame Verbrennung außerhalb des Brennersteins stimuliert, die Produktion von NOx weiter zu unterdrücken, im Vergleich zu dem Fall, wenn der Brennstoff zu einem Verbrennungsluftstrom senkrecht eingespritzt wird.
Wenn ein Brenner in einer Ofenwand installiert wird, die eine gekrümmte Oberfläche aufweist oder in bezug auf die Ofenwand schräg installiert wird, ist ein Abstand von einer Ofenwand einer Nebenbrennkammer, die durch den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins in der Tiefenrichtung ausgebildet wird, nicht festgelegt und ändert sich. In einem solchen Fall, dem Einströmen des Ofenabgases in den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins besteht die Neigung zu einem leichten Auftreten in einem Abschnitt, in welchem der Abstand von der Ofenwandoberfläche der Nebenverbrennungskammer, die durch den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins ausgebildet ist, gering ist, und die Abgasumlaufverbrennung wird aktiv hervorgerufen, doch das Ofenabgas strömt kaum in einen Abschnitt ein, in welchem dieser Abstand groß ist. Wenn sich daher gemäß dem erfindungsgemäßen Brenner mit niedriger NOx- Produktion der Abstand von der Ofenwandoberfläche der Nebenverbrennungskammer, die durch den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins in der Tiefenrichtung ändert, wird die Brennstoffdüse in einem Abschnitt angeordnet, in welchem dieser Abstand maximal ist. In diesem Fall kann das Einströmen des Ofenabgases in einen Teil, in welchem der Brennstoff eingespritzt wird, vermindert werden, und die Dichte des Sauerstoffs wird nicht vermindert, wodurch die Stabilisierung der Zündung verbessert wird.
Gemäß dem Brenner mit niedriger NOx-Produktion der vorliegenden Erfindung wird außerdem die Brennstoffdüse auch als ein Zündbrenner verwendet. Da in diesem Fall eine Steuerflamme entlang dem Brennstoffstrahl ausgebildet wird, wird die Flamme stabilisiert, und der Aufbau des Brenners kann vereinfacht werden. Da ferner nur die Verbrennungsluft in die Luftkehle strömt, die auf der Zuströmseite des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet ist, besteht keine Begrenzung z. B. der Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit der injizierten Verbrennungsluft durch Drosseln eines Auslasses der Luftkehle oder der Anordnung des Regenerators zum Vorheizen der Verbrennungsluft in der Nähe des Auslasses der Luftkehle.
Gemäß dem Brenner mit niedriger NOx-Produktion der vorliegenden Erfindung ist ein Zündbrenner in dem Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins getrennt von der Brennstoffdüse angeordnet. Da in diesem Fall eine Zündflamme durch einen Zündbrenner ausgebildet wird, der getrennt von der Brennstoffdüse gesteuert wird, ist die Stabilisierung der Zündung verbessert und die Steuerung mit einem großen Absenkungsverhältnis kann erleichtert werden. Da ferner der Zündbrenner oder die Brennstoffdüse nicht in der Luftkehle angeordnet ist und nur die Verbrennungsluft durch die Luftkehle strömt, kann z. B. die Strömungsgeschwindigkeit der ausgeblasenen Verbrennungsluft durch Drosseln eines Auslasses der Luftkehle erhöht werden, und der Abgasumlauf, der in dem Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins erzeugt ist, um die Strömung der Verbrennungsluft wird stark, wodurch die NOx-Verminderung stimuliert wird. Weiterhin kann die Anordnung des Regenerators innerhalb der Luftkehle in der Nähe deren Auslaß eine Wärmemenge des Regenerators vermindern, welche nicht zum Vorheizen der Verbrennungsluft verwendet wird, sondern in die Luft verlorengeht, und verhindern, daß eine Temperatur des Abgases absinkt, das in den Regenerator geleitet ist, und der Wärmeverlust kann vermindert werden. Weiterhin ist keine Hochtemperatur-Rohrverlegung notwendig und die Anlagenkosten und der Raumbedarf können wesentlich reduziert werden. Nur die Verbrennungsluft strömt in der Luftkehle, die auf der Zuströmseite des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet ist, und daher besteht dort keine Begrenzung z. B. der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der ausgeblasenen Verbrennungsluft durch Drosseln des Auslasses der Luftkehle oder der Installation des Regenerators zum Vorheizen der Verbrennungsluft in der Nähe des Auslasses der Luftkehle.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Brenner mit niedriger NOx- Produktion wird der Zündbrennstoff in die Luftkehle eingespritzt, die auf der Zuströmseite des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet ist. Auf dieser Stufe wird ein stabiler Flammenbereich durch den Zündbrennstoff ausgebildet, der in die Luftkehle eingespritzt wird, die auf der Zuströmseite des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet ist, und die Flamme kann stabilisiert werden, selbst wenn dieser Bereich eine Zündflamme ausbildet, und die Temperatur der Verbrennungsluft wird vermindert. Selbst wenn z. B. der Brenner als eine Wärmequelle des Ofens verwendet wird, der in dem mittleren Temperaturbereich von 700 bis 800ºC betrieben wird, wie z. B. ein Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium, kann die Flamme stabilisiert werden, und eine erzeugte NOx-Menge ist gering.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Brenner mit niedriger NOx- Produktion wird außerdem eine erste Brennstoffdüse aufgezeigt, um den Brennstoff in einer Richtung einzuspritzen, die im wesentlichen rechtwinklig zu dem Verbrennungsluftstrom in der Luftkehle ist, die auf einer Zuströmseite des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet ist, wenn eine Temperatur des Ofens niedrig ist, und eine zweite Brennstoffdüse zum Einspritzen des Brennstoff von dem Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins, nachdem die Temperatur des Ofens einen vorbestimmten Wert erreicht hat. In der vorstehenden Beschreibung ist eine vorbestimmte Temperatur nicht unbedingt eine Betriebstemperatur des Ofens, sondern eine Temperatur, bei welcher die Flamme nur beim Einspritzen des Brennstoffs von der zweiten Brennstoffdüse oder einer höheren Temperatur erhalten werden kann.
Wenn in dieser Erfindung die Temperatur des Ofens niedrig und die Verbrennung schwer zu stabilisieren ist, wird der Brennstoff von der ersten Brennstoffdüse eingespritzt, um die Verbrennungsluft und den Brennstoff durch rechtwinkliges Zusammentreffen rasch Zu vermischen und zu zerstreuen, wodurch die stabile Verbrennung erreicht werden kann. Selbst wenn hier die Verbrennungsluft eine niedrige Temperatur aufweist, kann der von der ersten Brennstoffdüse eingespritzte Brennstoff mit der Verbrennungsluft rasch vermischt werden, um für die Verbrennung stabil zerstreut zu werden. Eine Menge des erzeugten NOx ist jedoch gering, auf Grund der niedrigen Temperatur des Ofens und dadurch innerhalb der Toleranz. Wenn die Temperatur des Ofens eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird der Brennstoff nur von der zweiten Brennstoffdüse des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins eingespritzt, um die langsame Verbrennung des unvollständig verbrannten Verbrennungsgases und das Auftreten von Restsauerstoff zu bewirken, so daß die Produktion von NOx unterdrückt wird. Daher kann eine erzeugte NOx-Menge während des Anstiegs der Temperatur des Ofens auf die Nennbetriebstemperatur vermindert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Prinzipansicht, die zur Erläuterung eines schematischen Aufbaus und des Verbrennungszustands des erfindungsgemäßen Brenners mit niedriger NOx-Produktion verwendet wird,
Fig. 2A zeigt eine Prinzipansicht, die zur Erläuterung eines schematischen Aufbaus und des Verbrennungszustands des Brenners mit niedriger NOx-Produktion gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 2B zeigt eine Querschnittansicht eines Brennstoffdüsenabschnitts des in Fig. 2A gezeigten Brenners mit niedriger NOx-Produktion,
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung des Brenners mit niedriger NOx-Produktion gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung des Brenners mit niedriger NOx-Produktion gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 zeigt eine Senkrechtschnittansicht einer Ausführungsform eines Ofens zum Warmhalten von geschmolzenem Nichteisenmetall bzw. Aluminium unter Verwendung des erfindungsgemäßen Brenners mit niedriger NOx-Produktion,
Fig. 6 zeigt eine Waagerechtschnittansicht des in Fig. 5 dargestellten Ofens,
Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform unter Verwendung des erfindungsgemäßen Brenners mit niedriger NOx-Produktion, und
Fig. 8 zeigt eine Prinzipansicht eines allgemeinen zweistufigen Brennstoffverbrennungsbrenners als ein Brenner mit niedriger NOx-Produktion gemäß dem Stand der Technik.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung

Der Aufbau der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf der Grundlage von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners mit niedriger NOx-Produktion. Dieser Brenner mit niedriger NOx-Produktion spritzt Brennstoff in einen Verbrennungsluftstrom ein, der durch regenerativen Wärmeaustausch mit Abgas unter Verwendung eines Regenerativmediums vorgeheizt ist, das durch einen Regenerator vom Umfang des Verbrennungsluftstroms ausgebildet ist. Der Brenner mit niedriger NOx-Produktion weist einen solchen Aufbau auf, wie der eines Brennersteins 22 mit einem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser, dessen Durchmesser größer als der einer Luftkehle 24 ist, der an einem Auslaß der Luftkehle angeordnet ist, und eine Brennstoffdüse 19 zum Einspritzen des Brennstoffs von dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Verbrennungsluft nicht auf die Luft beschränkt, die auf eine hohe Temperatur von 800 bis 1000ºC oder mehr vorgeheizt ist, und die vorliegende Erfindung zeigt auch deren Wirkung auf, wenn die Verbrennungsluft verwendet wird, die auf eine Temperatur vorgeheizt ist, die wesentlich niedriger als eine Abgastemperatur ist, aber die Luft, die auf eine Temperatur nahe der Abgastemperatur vorgeheizt ist, wird als die Verbrennungsluft in dieser Ausführungsform verwendet. Obgleich nicht gezeigt, wird die Verbrennungsluft zum Beispiel durch direkten Wärmeaustausch auf eine Temperatur nahe der Abgastemperatur vorgeheizt und zugeführt, so daß das Abgas und die Verbrennungsluft abwechselnd für eine vorbestimmte Zeitdauer durch einen Regenerator treten, der aus Wabenkeramik ausgebildet ist. Wenn daher der Ofen angelassen wird oder wenn eine eingestellte Temperatur in dem Ofen zu Beginn niedrig ist, ist die Temperatur der vorzuheizenden Verbrennungsluft niedrig. Wenn ferner der Ofen für den Betrieb in dem mittleren Temperaturbereich von 700 bis 800ºC oder den höheren Temperaturbereich bereit ist, ist die Temperatur der Verbrennungsluft verhältnismäßig hoch. Außerdem kann der Brennstoff von dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins in eine Nebenverbrennungskammer 25 eingespritzt werden, die durch den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins 22 ausgebildet ist. Der Brennstoff wird in bezug auf den Ver-, brennungsluftstrom schräg eingespritzt, um das Zusammentreffen zu verursachen. In diesem Fall können die Ofenabgasumlaufverbrennung und die langsame Verbrennung außerhalb des Brennersteins 22 stimuliert werden, um die Produktion von NOx im Vergleich zu dem Fall, wenn der Brennstoff senkrecht zu dem Verbrennungsluftstrom eingespitzt wird, weiter zu unterdrücken.
Auf der Zuströmseite des vergrößerten Abschnitts 23 des Brennersteins ist auch ein Zündbrenner 16 angeordnet, so daß der Zündbrennstoff in die Luftkehle 24 eingespritzt wird. Wenn die Verbrennungsluft mit einer hohen Temperatur von über 1000ºC zugeführt wird, muß der Zündbrenner 16 in der Nähe des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins die Verbrennung nicht ständig ausführen. Der Zündbrenner 16 kann, abhängig von der Situation, in einem weiter zuströmseitigen Abschnitt oder in der Nähe der Brennstoffdüse 19 des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet werden.
Gemäß dem Brenner mit niedriger NOx-Produktion, der einen solchen Aufbau aufweist, werden der Teil des Brennstoffs, der von dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins schräg eingespritzt wird, und der Teil der Verbrennungsluft, der vollständig aus der Luftkehle 24 ausgeblasen wird, miteinander vermischt, um einen Flammenhaltebereich X1 auszubilden, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und die stabile Flamme wird erzeugt. Obgleich es sich eigentlich erübrigt, zu sagen, daß die Flamme stabilisiert wird, wenn die Verbrennungsluft hoher Temperatur zugeführt wird, kann die Flamme auch stabilisiert werden, selbst wenn die Verbrennungsluft mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur zugeführt wird, z. B. während des Anfahrens des Ofens. Weiterhin wird das Ofenabgas durch die Verbrennungsluft, die von der Luftkehle 24 mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit eingeblasen wird, stark in den Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins hineingezogen, und das Abgas wird mit dem Teil des Brennstoff vermischt, der aus den Ecken des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesse des Brennersteins schräg eingespritzt wird, um das Eintreten der Abgasumlaufverbrennung zu bewirken, und erzeugt einen Abgasumlaufverbrennungsbereich X2, in welchem die Verbrennung bei Luftmangel hervorgerufen wird. Außerhalb des Brennersteins 22 ist ein Bereich X3 erzeugt, in welchem der restliche Sauerstoff in dem Verbrennungsgas aus dem Flammenhaltebereich X1 und das unvollständige Verbrennungsgas, das in dem Abgasumlaufverbrennungsbereich X2 in dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins erzeugt ist reagieren, um das Eintreten der langsamen Verbrennung zu bewirken. Selbst wenn daher die Verbrennungsluft mit einer hohen Temperatur zugeführt wird, um örtlich über eine hohe Temperatur zu verfügen und das Wärme-NOx erzeugt ist, wird NOx durch die Abgasumlaufverbrennung und langsame Verbrennung vermindert und insgesamt kann eine niedrige NOx-Produktion realisiert werden. Da in diesem Fall verhindert wird, daß das Gas durch direktes Einspritzen des Brennstoffs in den Brennerstein 22 übermäßig nach außerhalb einer Flammenachse zerstreut wird, kann eine Gasmenge, die während der Verbrennung nicht verbrannt ist, auf ein Minimum reduziert werden.
In dem Fall der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Ausführungsbeispiel aufgezeigt worden, in welchem die einstufige Brennstoffdüse 19 und die Zünddüse (Brenner) 16 getrennt angeordnet sind, doch die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und eine Brennstoffdüse, welche auch als ein Zündbrenner verwendet werden kann, wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, kann übernommen werden, um den Zündbrenner auszuschließen. Wenn zum Beispiel die Brennstoffdüse 19, die in dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser der Brennerkehle angeordnet ist, durch eine Brennstoffdüse 26 ausgetauscht wird, die in Doppelfunktion als eine Zünddüse wirksam ist, wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, kann eine Primärflamme entlang dem Brennstoffstrahl um den Brennstoffstrahl ausgebildet werden, der in eine Nebenverbrennungskammer 25 eingespritzt wird. Diese Brennstoffdüse 26, welche auch als die Zünddüse dient, wird durch eine Brennstoffdüse 26a und ein Primärluftrohr 26b zum Strömen von Primärluft um die Brennstoffdüse 26a gebildet, und die Primärluft, die annähernd 10% der Sekundärluft ist, strömt um die Brennstoffdüse 26a. Die Brennstoffdüse 26a weist eine Einspritzöffnung 27 auf, die an einem Vorderteil dieser ausgebildet ist, als auch eine Zündbrennstoff-Einspritzöffnung 28 zum Einspritzen eines Teils des Brennstoffs zu der Innenumfangswand des Primärluftrohrs 26b, das darum ausgebildet ist, um das Zusammentreffen zu bewirken, und dort ist ein Zündbrenner erzeugt, um einen Teil des Brennstoffs als den Zündbrennstoff einzuspritzen und den eingespritzten Brennstoff durch Auftreffen auf die Innenumfangswand des Primärluftrohrs 26b zu zerstreuen, um die hervorragende Mischung der Primärluft und des eingespritzten Brennstoffs zu erzielen. Ferner ist eine nicht gezeigte Zündvorrichtung angeordnet, so daß die stabile Primärflamme während der Verbrennung erzeugt werden kann.
Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der Zündbrenner 16, der getrennt von der Brennstoffdüse 19 geregelt wird, in dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet werden. Der Zündbrenner 16 ist in dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins innerhalb des Bereichs angeordnet, in welchem der Brennstoff, der von der Brennstoffdüse 19 eingespritzt wird, gezündet werden kann. Da in diesem Fall eine Zündflamme durch den Zündbrenner 16 erzeugbar ist, kann die Stabilität der Zündung verbessert werden, und die Regelung mit einem großen Absenkungsverhältnis kann erleichtert werden. Da außerdem der Zündbrenner oder die Brennstoffdüse nicht in der Luftkehle 24 angeordnet ist und nur die Verbrennungsluft durch die Luftkehle 24 strömt, ist es möglich, verschiedene Ideen einzubringen, um die Strahlgeschwindigkeit der Verbrennungsluft zu erhöhen, und es ist keine Regelung bei der Installation des Regenerators in der Nähe des Auslasses der Luftkehle 24 erforderlich. Zum Beispiel kann die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft, die unter Drosselung des Auslasses der Luftkehle 24 eingeblasen wird, ferner im Vergleich zu jener der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erhöht werden. In diesem Fall wird der Abgasumlauf, der in dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins um die Strömung der Verbrennungsluft erzeugt wird, intensiv, um die Verminderung von NOx zu stimulieren. Der Regenerator 7 kann auch innerhalb der Luftkehle 24 angeordnet werden, und in mehr besonderer Weise innerhalb der Luftkehle 24 in der Nähe deren Auslaß. Eine Wärmemenge des Regenerators 7, die nicht zum Vorheizen der Verbrennungsluft verwendet wird, aber in die Luft entweicht, kann somit vermindert werden, und das Absinken der Temperatur des Verbrennungsabgases, das durch die Luftkehle 24 und die Nebenverbrennungskammer 25, welche durch den Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins ausgebildet ist, in den Regenerator 7 geleitet ist, kann verhindert werden, wodurch der Wärmeverlust vermieden wird. Da der Regenerator 7 innerhalb der Luftkehle 24 angeordnet werden kann, die in einem Teil des Brennersteins 22 ausgebildet ist, besteht kein Erfordernis der Hochtemperatur-Leitungsführung und sowohl die Anlagekosten als auch der Raumbedarf können wesentlich verringert werden.
Wenn der Brenner z. B. an einer gekrümmten Wand des Ofens angeordnet ist, wie in Fig. 6 gezeigt, oder wenn diese geneigt ist, ist eine Länge der Nebenverbrennungskammer 25, die durch den Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins ausgebildet ist, von der Wandoberfläche 29 in dem Ofen in der Tiefenrichtung nicht festgelegt, und die Länge kann sich abhängig von den Positionen unterscheiden. In diesem Fall, wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Düse 26, die auch als die Zünddüse dient, vorzugsweise in einer Position angeordnet werden, in welcher die Länge des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins von der Wandoberfläche 29 in dem Ofen maximal wird. Das trifft auch für den Fall zu, wenn die reguläre Verbrennungsdüse und ein Zündbrenner anstelle der Düse 26, die auch als die Zünddüse dient, angeordnet sind. In diesem Fall besteht die Neigung zum Eintritt des Ofenabgases in die Nebenverbrennungskammer 25 innerhalb des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins in einen Abschnitt, in welchem eine Länge der Nebenverbrennungskammer 25 von der Wandoberfläche in dem Ofen klein ist, und der Abgasumlauf wird aktiv erzeugt, doch das Abgas in dem Ofen strömt kaum in die Nebenverbrennungskammer 25 in einen Abschnitt ein, in welchem diese Länge groß ist. Wenn daher die Brennstoffdüse 19 oder die Düse 26, die auch als der Zündbrenner dient, in einem Abschnitt angeordnet ist, in welchem die Länge der Nebenverbrennungskammer 25, die durch den Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins ausgebildet ist, lang ist, wird die Sauerstoffdichte nicht in einem Abschnitt vermindert, in welchen der Brennstoff eingespritzt wird, wodurch die Stabilität der Zündung erhöht wird.
Wie durch eine virtuelle Linie in Fig. 3 gezeigt, kann die erste Brennstoffdüse 15 zum Einspritzen des Brennstoffs in die Luftkehle 24 auf der Zuströmseite der Brennstoffdüse 19 des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser der Brennkehle getrennt von der Brennstoffdüse 19 angeordnet werden. In dieser Ausführungsform kann es möglich sein, daß: die erste Brennstoffdüse 15 zum Einspritzen des Brennstoffs in die Luftkehle 24 auf der Zuströmseite der Brennstoffdüse 19 des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser der Brennkehle in dem Strom der vorgeheizten Verbrennungsluft separat angeordnet ist; eine volle Brennstoffmenge von der ersten Brennstoffdüse 15 eingespritzt wird, bis die Temperatur in dem Ofen einen vorbestimmten Wert erreicht, um die Zerteilung und Verbrennung auszuführen; und die Einspritzung des Brennstoff von der ersten Brennstoffdüse 15 angehalten wird, nachdem die Temperatur in dem Ofen einen vorbestimmten Wert erreicht hat, um den Brennstoff von der zweiten Brennstoffdüse 19 einzuspritzen. Obgleich hier nicht gezeigt, ist ein Zündbrenner oder eine Zündvorrichtung gewöhnlich in dem Bereich angeordnet, in welchem die Flamme auf den Brennstoff trifft, der von der ersten Brennstoffdüse 15 eingespritzt ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorbestimmte Temperatur nicht notwendigerweise eine Betriebstemperatur des Ofens ist, sondern eine Temperatur, bei welcher die Flamme nur durch Einspritzen des Brennstoffs von der zweiten Brennstoffdüse oder durch eine vorstehend erwähnte Temperatur erhalten werden kann.
Der Brenner mit dem vorstehend erwähnten Aufbau kann als eine Wärmequelle in verschiedenen Einrichtungen zur Verminderung von NOx und zum Erzeugen der kurzen Flamme verwendet werden. Zum Beispiel zeigen Fig. 5 bis 7 ein Ausführungsbeispiel, in welchem der erfindungsgemäße Brenner mit niedriger NOx-Produktion als eine Wärmequelle eines Warmhalteofens für geschmolzenes Nichteisenmetall verwendet wird. Ein Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium wird als der Warmhalteofen für geschmolzenes Nichteisenmetall verwendet, während der Brenner, welcher die erste Brennstoffdüse und die zweite Brennstoffdüse aufweist, als der Brenner in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Der Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium weist z. B. auf: einen Ofenkörper 1 mit einem Stahlgehäuse, dessen Innenseite mit isolierendem, feuerfestem Material ausgekleidet ist, einen Schmelztiegel 3, der so angeordnet ist, um in der Mitte des Ofenkörpers 1 zu hängen, und ein Regenerativbrennersystem 4, das als eine Wärmequelle wirkt. Obgleich ein Regenerativbrennersystem 4 angeordnet ist, können zwei oder mehr Systeme verwendet werden.
Der Ofenkörper 1 trägt den Schmelztiegel 3, welcher darin das geschmolzene Aluminium aufnimmt und den Schmelztiegel 3 sowie dessen Randabschnitt auf einer Temperatur erhält, die für die Wärmeisolation des geschmolzenen Aluminiums geeignet ist. Der Ofenkörper 1 ist zum Beispiel in einer im wesentlichen zylindrischen Form mit einem Boden ausgebildet, wie in der Zeichnung gezeigt, und vorgesehen, daß der Schmelztiegel 3 in der Mitte aufgehängt ist. Der Schmelztiegel β weist einen Schmelztiegel aus wärmeisolierendem Material 3a auf, wie z. B. Graphit, um darin das geschmolzene Aluminium aufzunehmen, und einen Metallschmelztiegel 3b zur Unterbringung des wärmeisolierten Schmelztiegels 3a, sowie einen Flanschabschnitt 3c, der an dem oberen Ende des Metallschmelztiegels 3b auf dem Ofenkörper 1 so angeordnet ist, daß der Abschnitt unter dem Flansch 3c eingefügt und in dem Ofenkörper 1 aufgehängt ist. Ein Brennraum 2 ist an einem Boden des Ofenkörpers 1 unter dem aufgehängten Schmelztiegel 3 ausgebildet. Ferner ist eine Trennwand 20 in dem Trennraum 2 angeordnet, und das Innere des Ofenkörpers 1 ist C-förmig unterteilt. Ferner ist auf der Innenwandoberfläche des Ofenkörpers 1 eine elektrische Heizvorrichtung 21 angeordnet, die verwendet wird, um das geschmolzene Aluminium in dem Schmelztiegel nur durch Elektrizität, wenn der Ofen an Wochenenden nicht verwendet wird oder im Notfall verwendet wird, auf einer Minimaltemperatur zu erhalten. Obgleich nicht gezeigt, sind an dem Schmelztiegel 3 eine Abdeckung und ein Metallbehälter für geschmolzenes Metall zum Anlegen eines Drucks an das geschmolzene Metall angeordnet, um es zu entnehmen.
Mindestens ein Regenerativbrennersystem 4 ist an dem Brennraum 2 am Boden des Ofenkörpers 1 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist ein Paar von Brennern 5 und 6 mit der Trennwand 20 dazwischen angeordnet. Dort wird das Regenerativbrennersystem 4 verwendet, das einen solchen Aufbau aufweist, daß der Regenerator 7 in den Brennerkörper 14 eingeschlossen ist, um das Paar von Brennern 5 und 6 für die wechselweise Verbrennung zu integrieren, und das Abgas kann durch den Brenner abgegeben werden, der nicht zur Verbrennung in Betrieb ist, und der Regenerator. Wie Fig. 5 zeigt, kann zum Beispiel ein Verbrennungsluft-Zuführsystem 8 zum Zuführen der Verbrennungsluft und ein Abgassystem 9 zum Ausströmen des Verbrennungsgases selektiv mit dem Regenerator 7 von jedem der zwei Brenner 5 und 6 durch ein Vierwegeventil 10 verbunden werden, und die Verbrennungsluft wird einem Brenner 5 (oder 6) durch den Regenerator 7 zugeführt, während das Abgas aus dem anderen Brenner 6 (oder 5) durch den Regenerator 7 ausströmt. Die Verbrennungsluft wird zum Beispiel durch ein nicht gezeigtes Zuggebläse zwangsweise zugeführt, und das Abgas wird von dem Ofen angezogen und durch eine Abgasvorrichtung, wie zum Beispiel ein Saugzuggebläse ausgestoßen. Ferner werden der Teil der Verbtennungsluft und der Brennstoff zu einer Zündbrenner-Einspritzvorrichtung 16 verteilt. Die Zündbrenner-Einspritzvorrichtung 16 ist angeordnet, um den Zündbrennstoff von dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins auf der Zuströmseite in die Luftkehle 24 einzuspritzen. An einem Auslaß der Luftkehle 24 ist der Brennerstein 22 angeordnet, der den Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser aufweist, dessen Durchmesser größer als jener der Luftkehle 24 ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß in den Zeichnungen das Bezugszeichen 14 einen Brennerkörper bezeichnet, 17 einen Flammendetektor und 18 einen Zündbrenner-Zündtransformator. Obgleich nicht gezeigt, sind in jeder Leitung ein Solenoidventil, ein handbetätigtes Ventil oder dergleichen zur Steuerung eines Fluidstroms angeordnet.
Das Brennstoffzuführsystem 11 ist selektiv und alternativ mit einem der Brenner 5 und 6 durch zum Beispiel ein Dreiwegeventil 12 verbunden, um den Brennstoff zuzuführen. Die Brennstoffdüse ist aus einer ersten Brennstoffdüse 15 ausgebildet, die angeordnet ist, um zum Inneren der Luftkehle 15 gerichtet zu sein, und einer zweiten Brennstoffdüse 19 zum Einspritzen des Brennstoffs von dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins 22, ausgebildet an einem Auslaß der Luftkehle 24, und der Brennstoff wird von einer dieser Düsen eingespritzt. Die erste Brennstoffdüse 15 ist auf der Umfangsoberfläche der Luftkehle 24 angeordnet, welcher eine volle Menge der Verbrennungsluft durch den Regenerator 7 in einer Richtung rechtwinklig zu einem Verbrennungsluftstrom zugeführt wird, und den Brennstoff von der Umfangsoberfläche der Luftkehle 24 in eine Richtung rechtwinklig zu dem Verbrennungsluftstrom einspritzt. Ferner ist die Brennstoffdüse 19 in einer solchen Weise ausgebildet, daß der Brennstoff von dem Abschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins 22, der am Auslaß der Luftkehle 24 ausgebildet ist, in den Brennerstein 22 eingespritzt wird. In dieser Ausführungsform ist die zweite Brennstoffdüse 19 in einer Ecke des Abschnitts 23 mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins 22 angeordnet, um nach innen zu weisen, so daß der Brennstoff mit der von der Luftkehle 24 eingeblasenen Verbrennungsluft zusammentrifft.
Hier verwenden die Brenner 5 und 6 sowie die elektrische Heizeinrichtung 21 als die Heizvorrichtung dieselbe Temperaturerfassungseinrichtung, zum Beispiel ein Thermopaar oder eine Temperatursteuervorrichtung, und ein elektrisches Ausgangssignal der Steuervorrichtung wird einem Thyristor direkt zugeleitet, um eine Elektrizitätsmenge zu regeln, wenn die Heizeinrichtung angesteuert wird, während das elektrische Ausgangssignal durch eine A/D-Wandlervorrichtung in ein Ein/Aus-Signal umgewandelt wird, um das Brennstoffregelventil und das Luftregelventil zu steuern, wenn der Brenner die Verbrennung ausführt.
Außerdem ist zu bevorzugen, die zylindrischen Regeneratoren 7 zu verwenden, die jeweils eine Vielzahl von wabenförmigen Zellenlöchern aufweisen, die aus einem Material geformt sind, dessen Wärmekapazität hoch ist und dessen Haltbarkeit hervorragend ist, während der Druckverlust verhältnismäßig gering ist, zum Beispiel Keramik. Selbst wenn in diesem Fall die Temperatur des Abgases unter den Taupunkt von Schwefelsäure absinkt, wenn Wärme aus dem Verbrennungsabgas zurückgewonnen wird, werden Schwefelbestandteile in dem Brennstoff oder Substanzen, die durch deren chemische Umwandlung erhalten werden, in der Keramik eingefangen werden, und ein Kanal oder dergleichen des Abgassystems, das auf der Abströmseite angeordnet ist, unterliegt nicht der Niedrigtemperaturkorrosion. Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf den vorstehend beschriebenen Aufbau und das Material beschränkt, sondern es ist möglich, jeden anderen Regenerator der Keramikkugeltype oder der Keramiknuggettype zu verwenden.
Gemäß dem Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hält der Schmelztiegel 3 das geschmolzene Aluminium auf einer Temperatur, die für die Wärmeisolation in der folgenden Weise geeignet ist.
Eine volle Brennstoffmenge wird zuerst von der ersten Brennstoffdüse 15 injiziert, um verbrannt zu werden, bis die Temperatur in dem Ofen einen vorbestimmten Wert erreicht. Der Schmelztiegel Sund der Ofenkörper 1 werden dann erhitzt. Auf dieser Stufe wird der Brennstoff, der von der ersten Brennstoffdüse 15 eingespritzt ist, sofort mit der Verbrennungsluft vermischt, selbst wenn die Verbrennungsluft eine niedrige Temperatur aufweist, und der eingespritzte Brennstoff wird durch die in der Nähe angeordnete Zündflamme stabil verbrannt.
Wenn die Temperatur in dem Ofen einen vorbestimmten Wert hat, wird das Einspritzen des Brennstoffs von der ersten Brennstoffdüse 15 unterbrochen, und der Brennstoff wird dann von der zweiten Brennstoffdüse 19 eingespritzt. Die vorstehend beschriebene vorbestimmte Temperatur ist nicht notwendigerweise eine Betriebstemperatur des Ofens, sondern eine Temperatur, bei welcher die Flamme nur durch das Einspritzen des Brennstoffs von der zweiten Brennstoffdüse oder nur durch eine höhere Temperatur erhalten werden kann. Selbst wenn hier der Ofen, der in dem mittleren Temperaturbereich von 700 bis 800ºC betrieben wird, wie zum Beispiel ein Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium, verwendet wird, bilden der schnell verteilte Brennstoff und ein Teil der Verbrennungsluft den Flammenhaltebereich X1 aus, um die Flamme zu stabilisieren, wenn der Brennstoff schräg eingespritzt wird, um mit der Hochtemperatur-Verbrennungsluft in dem Brennerstein 22 zusammenzutreffen, weil der Brennstoff von der zweiten Brennstoffdüse 19 nach innen eingespritzt wird, um mit der Hochtemperatur-Verbrennungsluft zusammenzutreffen, die von der Luftkehle 24 eingespritzt wird. Währenddessen wird das Abgas in dem Ofen, das durch einen Verbrennungsluftstrom in dem Brennerstein 22 stark angeregt wird, mit dem Brennstoff vermischt, um den Abgasumlaufverbrennungsbereich X2 auszubilden, und die Verbrennung mit unzureichend Luft wird hervorgerufen. Weiterhin wird außerhalb des Brennersteins 22 der Sauerstoff, der in dem Verbrennungsgas aus dem Flammenhaltebereich X1 verblieben ist, mit dem unvollständigen Verbrennungsgas vermischt, das infolge der Abgasumlaufverbrennung in dem Ofen erzeugt ist, um das Eintreten der langsamen Verbrennung zu bewirken. Daher wird die Flamme stabilisiert und die NOx-Menge wird nicht erhöht.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Verbrennung in einem Brenner des regenerativen Brennersystems 4, zum Beispiel der Brenner 5, die Abgabe des Verbrennungsgases einschließt, das für die Beheizung des Schmelztiegels 3 in dem Brennraum 2 von der Luftkehle 24 des anderen Brenners 6 durch das Verbrennungsabgassystem 9 verwendet wird. D. h., da das Brennstoff-Zuführsystem 11 für den anderen Brenner 6 durch das Dreiwegeventil 12 an dem Brenner 6 geschlossen ist und mit dem Abgassystem 9 durch die Umschaltoperation des Vierwegeventils 10 verbunden ist, wird die Verbrennung nicht ausgeführt, und das Brennstoff-Zuführsystem 11 wird als ein Abgaspfad für das Abgas verwendet. Der Schmelztiegel 3 wird durch die Flamme und die Strahlungswärme des Verbrennungsgases erhitzt. Da hier die Verbrennungsluft, die dem Brenner 5 zugeführt wird, durch direkten Kontakt mit dem Regenerator 7 innerhalb einer kurzen Zeitdauer vorgeheizt ist und dann in den Brennerkörper 14 zugeführt wird, weist die Verbrennungsluft eine hohe Temperatur auf, die nahe jener des Abgases ist. Wenn demgemäß die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff vermischt wird, der von der ersten Brennstoffdüse 15 oder der zweiten Brennstoffdüse 19 eingespritzt ist, kann die stabile Verbrennung mit einer kleinen Brennstoffmenge bewirkt und das Hochtemperatur-Verbrennungsgas erzeugt werden. Da ferner die Temperatur der Verbrennungsluft mit der Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Verbrennungsstärke rasch verändert wird, ist die Ansprechvermögen in bezug auf die Regelung der Temperatur der geschmolzenen Metalls hervorragend.
Daher sind die Schwankung der Temperatur des geschmolzenen Metalls und die Bruchneigung verringerbar, und die Temperaturen in dem Ofen und dem Schmelztiegel 3 können rasch auf die Wärmeisoliertemperatur erhöht werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Umschalten zwischen Verbrennung und Ausstoß in einem Abstand von zum Beispiel etwa 10 Sekunden bis 2 Minuten, mehr bevorzugt innerhalb einer Minute, oder am meisten bevorzugt in einem äußerst kurzen Zeitintervall von annähernd 10 bis 40 Sekunden ausgeführt wird. In diesem Fall wird der Wärmeaustausch mit einem hohen Temperaturwirkungsgrad ausgeführt. Ferner kann die Umschaltoperation ausgeführt werden, wenn die Temperatur der Verbrennungsgases, das durch den Regenerator 7 abgegeben ist, eine vorbestimmte Temperatur, z. B. 200ºC, angenommen hat. Da sich in diesem Ausführungsbeispiel eine Position der Flamme häufig ändert, kann ein Wärmemuster in der Brennkammer gleichförmig ausgebildet werden, und die ungleichförmige Erhitzung oder Wärmeisolation kann vermindert werden.
Wenn die Temperatur in dem Ofen einen Wert erreicht hat, der für das Erhalten der Wärme des geschmolzenen Aluminiums geeignet ist, zum Beispiel 800 bis 900ºC, wird die Verbrennung in dem Brennersystem 4 heruntergefahren, so daß die Temperatur, die zum Erhalten der Wärme des geschmolzenen Aluminiums geeignet ist, in dem Schmelztiegel 3 erhalten werden kann. In einem Notfall, wie zum Beispiel einer Störung des Brennstoff-Zuführsystems oder an Feiertagen, ist diese Überwachung durch einen Ofenführer unmöglich, der Betrieb des Brennersystems wird angehalten und das Innere des Ofens wird durch die elektrische Heizeinrichtung 21 auf einer Minimaltemperatur gehalten.
Obgleich die vorstehend beschriebene Ausführungsform ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, ist diese nicht darauf beschränkt, und es ist eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallen anzusehen sind. Zum Beispiel erfolgte die Beschreibung hinsichtlich des Falls, in welchem die vorgeheizte Verbrennungsluft durch wechselweise Verbrennung unter Verwendung des Regenerators erreicht wurde, welcher mit dem Brenner verbunden oder innerhalb des Brenners angeordnet ist, doch die vorliegende Erfindung ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt, und das Verbrennungsabgas sowie die Verbrennungsluft treten für eine vorbestimmte Zeitdauer durch den Regenerator, und die Verbrennungsluft, die durch die Abgaswärme des Hochtemperatur-Verbrennungsabgäses vorgeheizt wird, kann einem einzelnen Brenner zur kontinuierlichen Verbrennung durch relativen Umlauf des Regenerators in bezug auf das Verbrennungsluft-Zuführsystem und das Abgassystem unter Verwendung einer Kanalumschaltvorrichtung zugeführt werden, wie sie in der Internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO94/02784 beschrieben ist, oder durch Umschaltung einer Richtung eines Fluidstroms in bezug auf den Regenerator unter Verwendung einer Kanalumschaltvorrichtung. Obgleich ferner die Beschreibung hinsichtlich des Falls erfolgte, in welchem in der vorliegenden Erfindung der Gasbrennstoff verwendet wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt, und es ist auch möglich, den Flüssigbrennstoff, wie zum Beispiel Öl, zu verwenden. Weiterhin ist der Brenner der jeweiligen Ausführungsformen, die in Fig. 1 bis 4 gezeigt sind, auf den in Fig. 5 bis 7 gezeigten Warmhalteofen für geschmolzenes Aluminium anwendbar. In einem solchen Fall ist die Verminderung der NOx-Menge für den Betrieb in dem mittleren Temperaturbereich, einschließlich des Anfahrens des Ofens oder des Betriebs in dem Hochtemperaturbereich, realisierbar und die Flamme kann stabilisiert werden.

Claims

1. Brenner mit niedriger NOx-Produktion, der einen Verbrennungsbereich auf der Abströmseite eines Luftkehlabschnitts (24) ausbildet, der einen Verbrennungsluftstrom durch den Luftkehlabschnitt und einen Brennstoff nutzt, der durch eine Hauptbrennstoffdüse (19) zum Zuführen von Brennstoff während des Normalbetriebs des Brenners eingespritzt wird, der aufweist:

- eine Vorheizvorrichtung zum Vorheizen von Verbrennungsluft mittels eines durch einen Regenerator (7) ausgeführten Wärmeaustauschvorgangs zwischen einem Verbrennungsabgas, das in einem Primärverbrennungsbereich einer Nebenverbrennungskammer (25) erzeugt ist, und der Verbrennungsluft, die dem Primärverbrennungsbereich zugeführt wird, wobei das Verbrennungsabgas und die Verbrennungsluft abwechselnd durch den Regenerator eingeleitet werden, und

- einen Abschnitt (23) mit vergrößertem Durchmesser eines Brennersteins (22) mit einem Innendurchmesser, der größer als ein Innendurchmesser des Kehlabschnitts (24) ist, um einen Sekundärverbrennungsbereich der Nebenverbrennungskammer (25) um einen Auslaß des Luftkehlabschnitts (24) zu definieren,

- wobei der Kehlabschnitt (24) angeordnet ist, um die durch die Vorwärmvorrichtung vorgeheizte Verbrennungsluft einzublasen und die Verbrennungsluft dem Primärverbrennungsbereich auf der Abströmseite des Kehlabschnitts axialströmend zuzuführen, und

- wobei sich der Sekundärverbrennungsbereich radial nach außerhalb des Kehlabschnitts (24), angrenzend an dessen Auslaß, erstreckt, und die Hauptbrennstoffdüse (19) in einer Randzone des Abschnitts (23) mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins angeordnet und ausgerichtet ist, um den Brennstoff in die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft und unter einem spitzen Winkel dazu zu leiten, wodurch ein Teil eines Primärverbrennungsgases, das in dem Primärverbrennungsbereich erzeugt ist, in den Sekundärverbrennungsbereich eingeleitet wird, um einen Umlaufgasstrom auszubilden.

2. Brenner gemäß Anspruch 1, der ferner ein Paar von Hauptbrennstoffdüsen (19) aufweist, die auf entgegengesetzten Seiten des Luftkehlabschnitts (24) so angeordnet sind, daß ein Brennstoffeinspritzdruck des Paars von Brennstoffdüsen auf beide Seiten des Verbrennungsluftstroms wirkt, der durch den Luftkehlabschnitt hindurchgegangen ist.

3. Brenner gemäß Anspruch 1, wobei eine Ofenwand (29), die einen Verbrennungsbereich im Ofen definiert, gekrümmt oder in bezug auf eine Oberfläche des Abschnitts (23) mit vergrößertem Durchmesser des Brennersteins (22), welcher den Auslaß des Luftkehlabschnitts (24) umgibt, geneigt ist, und die Brennstoffdüse (19) in einem Teil des Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser angeordnet ist, welcher einen Abstand von der Ofenwand (29) aufweist, der im wesentlichen ein Maximalwert ist.

4. Brenner gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Brennstoffdüse (19) mit einer Zündbrennervorrichtung (16, 27) versehen ist, die als ein Zündbrenner wirkt.

5. Brenner gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei ein Zündbrenner zum Zünden des durch die Brennstoffdüse eingespritzten Brennstoffs in dem Abschnitt (23) mit vergrößertem Durchmesser angeordnet ist.

6. Brenner gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei der Kehlabschnitt (24) mit einer Zündbrennstoff-Einspritzvorrichtung (16) zum Einspritzen von Brennstoff in einen Luftströmungskanal des Luftkehlabschnitts versehen ist.

7. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärverbrennungsbereich einen Flammenstabilisierungsbereich (X1) definiert, in welchem eine stabile Verbrennungsreaktion bewirkt wird und beim Vorliegen der Verbrennungsluft erhalten wird, und einen Langsamverbrennungsbereich (X3), welcher auf der Abströmseite des Flammenstabilisierungsbereichs ständig ausgebildet wird, und welcher eine langsame Verbrennungsreaktion ausführt.

8. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffdüse (19) in einem Randteil des Abschnitts (23) mit vergrößertem Durchmesser im wesentlichen koplanar zu einer Ebene des Auslasses des Luftkehlabschnitts (24) angeordnet ist.

9. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regenerator (7) auf der Zuströmseite des Luftkehlabschnitts (24) angeordnet ist und einen Wabenaufbau aufweist, durch welchen die Verbrennungsluftströmung zugelassen wird, und

- eine Reduziervorrichtung zum Verengen eines Strömungskanalbereichs der Verbrennungsluft zwischen dem Regenerator (7) und dem Luftkehlabschnitt (24) angeordnet ist.

10. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nebenverbrennungskammer (25) eine zylinderförmige Umfangswand aufweist.

11. Brenner gemäß Anspruch 1, der ferner eine Brennstoff- Einspritzvorrichtung (15) zum Einspritzen von Brennstoff in einer Richtung aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu dem Verbrennungsluftstrom in dem Luftkehlabschnitt ist, wenn die Temperatur in dem Primärverbrennungsbereich auf einem verhältnismäßig niedrigen Niveau ist.